JPWO2018199311A1 - Management device, power storage device, and power storage system - Google Patents
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Abstract
管理装置21は、直列に接続された複数の蓄電素子41の充電中に、いずれかの蓄電素子41のセル電圧が第1閾値以上になった場合に、コンバータ11に充電電圧を下げるように第1引下信号を出力するメイン制御部23を備える。The management device 21 causes the converter 11 to reduce the charging voltage when the cell voltage of any of the storage elements 41 becomes equal to or higher than the first threshold during charging of the plurality of storage elements 41 connected in series. 1 includes a main control unit 23 that outputs a down signal.
Description
本明細書によって開示される技術は、直列に接続された複数の蓄電素子を充電する技術に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a technology for charging a plurality of power storage elements connected in series.
複数の蓄電素子を直列に接続した組電池は、特性の相違により、セル電圧(充電状態)にばらつきがある。セル電圧(充電状態)のばらつきが大きい場合、充電中に一部の蓄電素子の電圧が、他の蓄電素子よりも上昇する場合がある。下記特許文献1には、充電中に、一部の蓄電素子の電圧が設定値を超えた場合、充電を遮断する記載がある。
A battery pack in which a plurality of power storage elements are connected in series has a variation in cell voltage (charge state) due to a difference in characteristics. If the cell voltage (state of charge) varies greatly, the voltage of some power storage elements may rise higher than the other power storage elements during charging.
本明細書では、充電中、蓄電素子が保護電圧を超えることを抑制して、充電を継続させることを課題とする。 In this specification, it is an object to suppress charging of a storage element from exceeding a protection voltage during charging and to continue charging.
管理装置は、直列に接続された複数の蓄電素子の充電中に、いずれかの前記蓄電素子の電圧が第1閾値以上になった場合に、充電器に充電電圧を下げる引下通知をする制御部を備える。 The control device is configured to control the battery charger to notify the charger of a decrease in the charging voltage when the voltage of any of the power storage elements becomes equal to or higher than the first threshold during charging of the plurality of power storage elements connected in series. It has a unit.
制御部は、いずれかの蓄電素子の電圧が第1閾値以上になった場合に、充電器に引下通知をする。充電器は引下通知を受けると、充電電圧を下げる。充電電圧を下げることで、充電電圧を下げない場合と比較して、第1閾値以上になった蓄電素子の電圧が上昇することを抑制出来る。そのため、蓄電素子が保護電圧を超えることを抑制でき、充電を継続させることができる。 The control unit notifies the charger of the withdrawal when the voltage of any of the power storage elements is equal to or higher than the first threshold. When the charger receives the withdrawal notification, the charger lowers the charging voltage. By lowering the charging voltage, it is possible to suppress an increase in the voltage of the power storage element that has become equal to or higher than the first threshold value as compared with a case where the charging voltage is not lowered. Therefore, the storage element can be prevented from exceeding the protection voltage, and charging can be continued.
(本実施形態の概要)
管理装置は、直列に接続された複数の蓄電素子の充電中に、いずれかの前記蓄電素子の電圧が第1閾値以上になった場合に、充電器に充電電圧を下げる引下通知をする制御部を備える。(Overview of this embodiment)
The control device is configured to control the battery charger to notify the charger of a decrease in the charging voltage when the voltage of any of the power storage elements becomes equal to or higher than the first threshold during charging of the plurality of power storage elements connected in series. It has a unit.
蓄電素子を直列に複数接続している場合、各蓄電素子の電圧(充電状態)のばらつきが大きいと、充電器によって充電を行う際に、電圧の高い蓄電素子の電圧が急上昇する。 In the case where a plurality of power storage elements are connected in series, if the voltage (charge state) of each power storage element varies greatly, the voltage of the power storage element having a high voltage sharply rises when charging is performed by the charger.
本発明者らは、複数の蓄電素子を充電する場合に、一部の蓄電素子の電圧が上昇することを抑制できないか、検討を行った。
検討を行った結果、本発明者らは、いずれかの蓄電素子の電圧が第1閾値以上になった場合に、充電器の充電電圧を下げることを考えた。充電電圧を下げることで、充電電圧を下げない場合と比較して、第1閾値以上になった蓄電素子の電圧が上昇することを抑えることが出来る。そのため、蓄電素子が保護電圧を超えることを抑制できる。蓄電素子に不具合が生じることを抑制しつつ、充電を継続させることができる。The present inventors have studied whether charging of a plurality of power storage elements can be suppressed from increasing the voltage of some power storage elements.
As a result of the study, the present inventors have considered reducing the charging voltage of the charger when the voltage of any of the storage elements becomes equal to or higher than the first threshold. By lowering the charging voltage, it is possible to suppress an increase in the voltage of the power storage element that has become equal to or higher than the first threshold value as compared with a case where the charging voltage is not lowered. Therefore, the storage element can be prevented from exceeding the protection voltage. Charging can be continued while suppressing a problem from occurring in the power storage element.
前記充電器は、複数の前記蓄電素子について各蓄電素子の電圧を用いて、もっとも電圧の高い蓄電素子の電圧が一定になるように細かく充電を制御せず、複数の前記蓄電素子の総電圧によって充電を制御してもよい。
各蓄電素子の電圧(充電状態)のばらつきがある場合、複数の蓄電素子の総電圧を監視して充電を行うと、最も電圧の高い蓄電素子の電圧が上昇して保護電圧を超える場合がある。いずれかの蓄電素子の電圧が第1閾値以上になった場合に、充電電圧を下げることで、最も電圧の高い蓄電素子の電圧が上昇して、蓄電素子の電圧が保護電圧に至ることを抑制できる。The charger uses the voltage of each storage element for the plurality of storage elements and does not finely control charging so that the voltage of the storage element having the highest voltage becomes constant, and calculates the total voltage of the plurality of storage elements. Charging may be controlled.
If there is variation in the voltage (charge state) of each storage element, monitoring the total voltage of multiple storage elements and performing charging may cause the voltage of the storage element with the highest voltage to rise and exceed the protection voltage . When the voltage of any of the storage elements becomes equal to or higher than the first threshold value, the charging voltage is reduced to prevent the voltage of the storage element having the highest voltage from rising and prevent the voltage of the storage element from reaching the protection voltage. it can.
前記制御部は、充電電圧の引き下げ後、いずれかの前記蓄電素子の電圧が前記第1閾値以上の場合、前記充電器に対して前記充電電圧を更に低下させる段階引下通知をしてもよい。制御部は、前記段階引下通知を複数回に亘って行い、前記充電電圧を多段階で低下させてもよい。制御部から充電器に引下通知をすることで充電電圧が下がり、一時的に、蓄電素子の電圧が保護電圧に至ることを抑制できる。充電電圧の引き下げ後、蓄電素子の電圧が再度第1閾値以上になった場合、制御部は充電器に段階引下通知をして、さらに充電電圧を下げる。これを複数回にわたって実施することにより、蓄電素子の電圧が保護電圧に至ることを抑制できる。 If the voltage of any of the power storage elements is equal to or higher than the first threshold after the charge voltage is reduced, the control unit may notify the charger of a step-down to further reduce the charge voltage. . The control unit may perform the step-down notification a plurality of times to reduce the charging voltage in multiple steps. The notification of the withdrawal from the control unit to the charger lowers the charging voltage, which can temporarily suppress the voltage of the power storage element from reaching the protection voltage. When the voltage of the power storage element again becomes equal to or higher than the first threshold after the charging voltage is reduced, the control unit notifies the charger of a step-down and further reduces the charging voltage. By performing this multiple times, it is possible to suppress the voltage of the storage element from reaching the protection voltage.
前記蓄電素子は、充電状態に対する開放電圧の変化率が相対的に低い低変化領域と、前記低変化領域の充電状態よりも高充電状態であって、前記低変化領域よりも充電状態に対する開放電圧の変化率が相対的に高い、高充電状態の高変化領域と、を有しており、前記第1閾値は、前記高充電状態の前記高変化領域に含まれていてもよい。 The storage element has a low change region in which a change rate of an open voltage with respect to a charge state is relatively low, and a higher charge state than the charge state in the low change region, and an open circuit voltage with respect to the charge state higher than the low change region. And a high change state in a high charge state, wherein the change rate of the high charge state is relatively high, and the first threshold value may be included in the high change area in the high charge state.
蓄電素子における充電速度は、充電電圧が高いほど早い。本発明者らは、第1閾値を高充電状態の高変化領域に含まれる電圧にすることで、いずれかの蓄電素子の電圧が第1閾値以上になるまでは、高い電圧で蓄電素子を充電することを試みた。いずれかの蓄電素子の電圧が第1閾値以上になった後に、充電器へ引下通知をして充電電圧を下げることを見出した。これにより、当初から充電電圧を下げた場合に比べて、充電時間を短くすることができる。また、高変化領域では、低変化領域に比べて、開放電圧の変化に対して充電容量変化割合が小さい。そのため、第1閾値が低変化領域に含まれる場合に比べて、蓄電素子の電圧を下げつつ、蓄電素子の充電状態を高充電状態に維持することができる。 The charging speed of the storage element is higher as the charging voltage is higher. The present inventors charge the power storage element with a high voltage until the voltage of any of the power storage elements becomes equal to or higher than the first threshold by setting the first threshold to a voltage included in the high change region in the high charge state. Tried to do. It has been found that after the voltage of any one of the storage elements becomes equal to or higher than the first threshold value, a notification of the withdrawal is given to the charger to lower the charging voltage. Thereby, the charging time can be shortened as compared with the case where the charging voltage is lowered from the beginning. In the high change region, the charge capacity change ratio with respect to the change in the open circuit voltage is smaller than in the low change region. Therefore, compared to the case where the first threshold is included in the low change region, the state of charge of the storage element can be maintained at a high state of charge while lowering the voltage of the storage element.
前記制御部は、すべての前記蓄電素子の電圧が第2閾値以下である場合に、前記充電器の前記充電電圧を初期値に戻す復帰通知をしてもよい。 The control unit may issue a return notification to return the charging voltage of the charger to an initial value when the voltages of all the storage elements are equal to or less than a second threshold.
充電電圧を戻すことで、蓄電素子の充電速度を早くすることが出来る。また、放電後の組電池を再充電する際に、複数の蓄電素子を通常の充電電圧で充電することができ、充電時間を短くすることができる。 By returning the charging voltage, the charging speed of the storage element can be increased. Further, when recharging the assembled battery after discharging, a plurality of power storage elements can be charged at a normal charging voltage, and the charging time can be shortened.
前記制御部は、前記充電器が前記充電電圧の調整を、所定回数又は所定時間以上繰り返す場合、異常を報知してもよい。異常を報知することで、使用に適さない蓄電装置が使用され続けることを抑制できる。 The control unit may report an abnormality when the charger repeats the adjustment of the charging voltage a predetermined number of times or for a predetermined time or more. By notifying the abnormality, it is possible to prevent the unusable power storage device from being continuously used.
前記制御部は、複数の前記蓄電素子間の電圧差が所定値以下である場合、前記充電器の前記充電電圧を初期値に戻す復帰通知してもよい。 When the voltage difference between the plurality of power storage elements is equal to or smaller than a predetermined value, the control unit may notify a return of the charging voltage of the charger to an initial value.
充電電圧を戻すことで、蓄電素子の充電速度を早くすることが出来る。また、放電後の組電池を再充電する際に、複数の蓄電素子を通常の充電電圧で充電することができ、充電時間を短くすることができる。 By returning the charging voltage, the charging speed of the storage element can be increased. Further, when recharging the assembled battery after discharging, a plurality of power storage elements can be charged at a normal charging voltage, and the charging time can be shortened.
前記制御部は、前記充電電圧を引き下げた状態が所定時間以上継続する場合、異常を報知してもよい。異常を報知することで、使用に適さない蓄電装置が使用され続けることを抑制できる。 The control unit may report an abnormality when the state in which the charging voltage is reduced continues for a predetermined time or more. By notifying the abnormality, it is possible to prevent the unusable power storage device from being continuously used.
前記蓄電素子を個別に放電させる放電回路を有しており、前記制御部は、電圧が第3閾値以上になった前記蓄電素子を、前記放電回路によって放電してもよい。充電器によって充電電圧を下げつつ、放電回路によって蓄電素子を放電することで、第3閾値以上になった蓄電素子の電圧が上昇することをさらに抑制できる。第3閾値を用いずに、各蓄電素子の電圧と、最も低い電圧の差が第4閾値以上である場合に、電圧差が第4閾値未満になるように、前記蓄電素子を、前記放電回路によって放電してもよい。 The control unit may include a discharge circuit that individually discharges the storage elements, and the control unit discharges the storage elements having a voltage equal to or higher than a third threshold value by the discharge circuit. By discharging the storage element by the discharging circuit while lowering the charging voltage by the charger, it is possible to further suppress the rise of the voltage of the storage element that has become equal to or higher than the third threshold. Without using the third threshold, when the difference between the voltage of each storage element and the lowest voltage is equal to or greater than the fourth threshold, the storage element is connected to the discharge circuit so that the voltage difference is less than the fourth threshold. May be discharged.
蓄電装置は、1又は直列に接続された複数の蓄電ブロックと、管理装置と、を備え、前記蓄電ブロックは、直列に接続された複数の前記蓄電素子を有する。 The power storage device includes one or a plurality of power storage blocks connected in series, and a management device, and the power storage block includes the plurality of power storage elements connected in series.
蓄電システムは、充電器と、前記蓄電装置と、前記充電器と前記蓄電装置とを接続する充電経路を備える。 The power storage system includes a charger, the power storage device, and a charging path connecting the charger and the power storage device.
前記充電器は、複数の前記蓄電素子について各蓄電素子の電圧を用いて、もっとも電圧の高い蓄電素子の電圧が一定になるように細かく充電を制御せず、前記蓄電装置の総電圧によって充電を制御してもよい。 The charger uses the voltage of each power storage element for the plurality of power storage elements and does not finely control charging so that the voltage of the power storage element having the highest voltage becomes constant, and performs charging by the total voltage of the power storage device. It may be controlled.
前記充電器は、前記引下通知に応答して、前記充電電圧を初期値から引き下げ、引き下げ後の充電電圧は、前記蓄電素子1つあたりの電圧に換算して前記高充電状態の前記高変化領域に含まれていてもよい。 The charger lowers the charging voltage from an initial value in response to the lowering notification, and the reduced charging voltage is converted into a voltage per one of the storage elements, and the high change in the high charging state is performed. It may be included in the area.
引き下げ後の充電電圧は、蓄電素子1つあたりの電圧に換算して高充電状態の高変化領域に含まれるから、充電電圧を下げた後でも、充電時間を短くすることができる。 The charge voltage after the reduction is included in the high change region in the high charge state in terms of the voltage per storage element, so that the charge time can be shortened even after the charge voltage is reduced.
前記充電経路上に、前記蓄電装置に対する充電を制御する充電制御回路を有していなくてもよい。充電制御回路を使用せずに、充電電圧の制御が可能であり、部品点数を削減することが出来る。 The charge path may not include a charge control circuit that controls charging of the power storage device. The charge voltage can be controlled without using a charge control circuit, and the number of components can be reduced.
蓄電システムは、主電源から負荷に電力を給電する給電線に対して分岐線を介して接続された前記蓄電装置と、前記分岐線に設けられた電力変換器と、を備え、前記電力変換器は、主電源から供給される電力の一部を変換して前記蓄電装置に対する充電電流の出力と、前記蓄電装置から供給される電力を変換して前記負荷に対する放電電流の出力と、を行う双方向の電力変換器であり、前記制御部は、前記蓄電装置のいずれかの前記蓄電素子の電圧が前記第1閾値以上になった場合に、前記電力変換器に前記充電電圧を下げる前記引下通知をする。電力変換器を停止することなく、充電を制御できる。 The power storage system includes: the power storage device connected via a branch line to a power supply line that supplies power from a main power supply to a load; and a power converter provided on the branch line. Both convert a part of the power supplied from the main power supply to output a charging current to the power storage device, and convert power supplied from the power storage device to output a discharge current to the load. A power converter, wherein the controller reduces the charging voltage to the power converter when a voltage of any one of the power storage elements of the power storage device is equal to or higher than the first threshold. Notify. Charging can be controlled without stopping the power converter.
充電方法は、直列に接続された複数の蓄電素子の充電中に、いずれかの蓄電素子の電圧が第1閾値以上になった場合、前記蓄電素子の管理装置から充電器に引下通知を行うステップと、充電器にて充電電圧を下げるステップを有する。 In the charging method, during charging of a plurality of power storage elements connected in series, if the voltage of any of the power storage elements becomes equal to or higher than a first threshold value, the management device for the power storage elements issues a withdrawal notification to a charger. And a step of lowering the charging voltage by the charger.
(実施形態1)
本明細書に開示された実施形態1について図1から図13を参照して説明する。
本実施形態は、ビル、駅、病院などの施設に設置される無停電電源装置(以下、「UPS」ともいう)10を例示する。図1に示すように、UPS10は、図示しないビルやプラントに設置された負荷70と交流電源80とを接続する給電線15と、コンバータ(「充電器」の一例)11と、インバータ12と、蓄電装置20とを備える。コンバータ11とインバータ12は、給電線15上に配置されている。無停電電源装置10が蓄電システムに相当する。(Embodiment 1)
The first embodiment disclosed in the present specification will be described with reference to FIGS.
The present embodiment exemplifies an uninterruptible power supply (hereinafter, also referred to as “UPS”) 10 installed in a facility such as a building, a station, or a hospital. As shown in FIG. 1, a
UPS10は、常時インバータ給電方式のUPSである。UPS10は、交流電源80から出力される電力をコンバータ11によって交流から直流に変換し、インバータ12に供給する。インバータ12は、コンバータ11から供給された電力を直流から交流に変換して負荷70に供給する。
The
コンバータ11の出力する直流電流の一部が、充電電流として、蓄電装置20に供給される。蓄電装置20は、コンバータ11からの充電電流により充電される。
A part of the DC current output from
コンバータ11は、蓄電装置20を総電圧で充電制御する。総電圧による充電制御は、蓄電装置20の総電圧を目標値に維持する充電制御であり、蓄電素子41の最高セル電圧を一定に維持するなど、各蓄電素子41の電圧に応じた制御は行わない。蓄電装置20の総電圧は、直列に接続された複数の蓄電素子41の電圧の総和(総電圧)である。蓄電装置20は5つの蓄電ブロック30を直列に接続し、各蓄電ブロック30は4つの蓄電素子41を直列に接続する。従って、蓄電装置20は、直列に接続された20個の蓄電素子41の電圧の総和である。
コンバータ11による蓄電装置20の充電制御について説明する。コンバータ11は、蓄電装置20から総電圧の情報、SOCなど容量に関する情報、各蓄電素子41の電圧の情報を受ける。コンバータ11は、蓄電装置20の残存容量が少ない場合、蓄電装置20を定電流充電制御する。定電流充電制御により、蓄電装置20の総電圧が所定値に至ると、蓄電装置20の総電圧を目標値に維持するように定電圧充電制御(総電圧による充電制御)に切り換える。以下、各蓄電素子(単セル)の電圧を、セル電圧とする。
Charge control of
定電圧充電制御における、コンバータ11の充電電圧(コンバータの出力電圧)Yの初期値Yoは、以下の(1)式である。
The initial value Yo of the charging voltage (output voltage of the converter) Y of the
Yo=Vsel×N・・・・・・(1)
Vselは、蓄電素子41の充電目標セル電圧であり、一例として3.5[V]である。Nは、蓄電素子41の直列接続数であり、一例として20である。充電電圧Yの初期値Yoは、一例として、3.5×20[V]である。Yo = Vsel × N (1)
Vsel is a charging target cell voltage of the
蓄電装置20はフロート充電であり、コンバータ11は、充電電圧Yで充電電流がほぼゼロになっても、定電圧充電制御を継続して蓄電装置20の充電状態を維持する。蓄電装置20の総電圧は、定電圧充電制御により、目標値である充電電圧Yに維持される。コンバータ11は、充電中に、蓄電素子41のセル電圧が保護電圧を超えた場合、充電を停止する機能を有するが、充電の停止は望ましくない。
蓄電装置20は、直列に接続される5つの蓄電ブロック30と、複数の蓄電ブロック30を管理する電池管理装置(以下、「BMU」という)21と、スイッチ22とを備える。蓄電装置20は、給電線15に対して分岐線16を介して接続されている。給電線15、分岐線16は、蓄電装置20の充電経路及び放電経路である。蓄電装置20は、コンバータ11からの充電電流により充電される。充電電流は、コンバータ11から給電線15、分岐線16を経由して蓄電装置20に供給される。蓄電装置20は、交流電源80が異常により電力を供給できない場合、インバータ12を経由して負荷70に電力を供給する。電池管理装置21が管理装置に相当する。
The
スイッチ22は、常閉式のリレーである。スイッチ22は、蓄電素子41が保護電圧を超えるなど蓄電装置20の使用を禁止する必要がある場合、蓄電装置20を給電線15から切り離すために設けられている。
The
各蓄電ブロック30は、複数(本実施形態では4つ)の蓄電素子41を直列に接続した組電池40、放電回路31、電池監視装置(以下、「CMU」という)32、図示しない電流センサや温度センサなどを備える。
Each
蓄電素子41は、黒鉛、易黒鉛化カーボン、難黒鉛化カーボンなどのグラファイト系材料の負極活物質と、リン酸鉄リチウムなどのリン酸鉄系の正極活物質とを使用したリチウムイオンセルである。リチウムイオン電池である組電池40は、直列に接続された4つの蓄電素子41である。蓄電装置20は、組電池40を直列に5つ接続しており、合計20個の蓄電素子41を直列に接続している。
The
リチウムイオンセルである蓄電素子41は、開放電圧(OCV:Open Circuit Voltage)と充電状態(SOC:State Of Charge)との間に、図3に示す相関関係(以下、「SOC−OCV相関関係」という)がある。X軸をSOC[%]、Y軸をOCV[V]とするSOC−OCV相関関係では、図3に示すように、SOCが30〜95%の範囲は、SOCの変化量に対するOCVの変化量が所定値よりも小さい平坦な低変化領域Fである。低変化領域Fは、SOCが1[%]変化するのに対して、OCVの変化が2〜6[mV]未満の領域である。
The
SOCが95%以上の範囲、及びSOCが30%以下の範囲は、SOCの変化量に対するOCVの変化量が低変化領域Fよりも相対的に高い高変化領域Sである。高変化領域Sのうち、低変化領域Fの充電状態(SOCが30〜95%の範囲)よりもSOCが大きい高充電状態の領域(SOCが95%以上の領域)を第1高変化領域S1とする。高変化領域Sのうち、低変化領域Fの充電状態(SOCが30〜95%の範囲)よりもSOCが小さい低充電状態の領域(SOCが30%以下の領域)を第2高変化領域S2とする。第1、第2高変化領域S1、S2は、例えば、SOCが1[%]変化するのに対して、OCVの変化が2〜6[mV]以上の領域である。第1高変化領域S1は、図3に示すように、セル電圧が約3.35V以上の領域である。第1高変化領域S1が高充電状態の高変化領域である。 The range where the SOC is 95% or more and the range where the SOC is 30% or less are high change regions S in which the change amount of the OCV with respect to the change amount of the SOC is relatively higher than the low change region F. In the high change region S, a region in a high charge state (a region where the SOC is 95% or more) having a larger SOC than a charge state (a range in which the SOC is 30 to 95%) of the low change region F is defined as a first high change region S1. And In the high change region S, a low charge state region (SOC region of 30% or less) having a smaller SOC than the charge state of the low change region F (SOC range of 30 to 95%) is defined as a second high change region S2. And The first and second high change regions S1 and S2 are, for example, regions where the SOC changes by 1 [%] and the OCV changes by 2 to 6 [mV] or more. As shown in FIG. 3, the first high change region S1 is a region where the cell voltage is about 3.35 V or higher. The first high change region S1 is a high change region in a high charge state.
SOC=Cr/Co×100・・・・・・・・・・(2)
Coは蓄電装置の満充電容量、Crは蓄電装置の残存容量である。SOC = Cr / Co × 100 (2)
Co is the full charge capacity of the power storage device, and Cr is the remaining capacity of the power storage device.
放電回路31は、図1および図2に示すように、各蓄電素子41に対してそれぞれ設けられている。放電回路31は、放電抵抗Rと放電スイッチSWとを直列に接続した回路である。各放電回路31は、各蓄電素子41と並列である。放電回路31は、CMU32からの指令により、放電スイッチSWをオープンからクローズに切り換えることで、蓄電素子41を個別に放電する。
The
CMU32は、電圧検出回路33と、サブ制御部34とを有している。電圧検出回路33は、各蓄電素子41のセル電圧や組電池40の電池電圧(4つの蓄電素子41の総電圧)を計測して、サブ制御部34に出力する。サブ制御部34は、放電回路31の放電スイッチSWの切り換えや、各蓄電素子41のセル電圧および組電池40の電池電圧の計測値をBMU21に出力する。
The
BMU21は、第1通信線51を介して、コンバータ11と通信可能に接続されている。また、BMU21は、第2通信線52を介して、各蓄電ブロック30のCMU32と通信可能に接続されている。BMU21とコンバータ11との通信、BMU21とCMU32との通信は、CAN、LIN、RS232C、RS485など様々な種類の通信方式を採用することができる。
The
BMU21は、メイン制御部23を備える。メイン制御部23は制御部の一例である。メイン制御部23は、各蓄電ブロック30のCMU32からの出力を監視する。BMU21は、蓄電装置20のいずれかの蓄電素子41の電圧が保護電圧を超えた場合、スイッチ22に対して信号を送信し、スイッチ22をクローズからオープンに切り換える。スイッチ22を切り換えることで、蓄電装置20を給電線15から切り離し、蓄電素子41(組電池40)に不具合が生じること防止する。保護電圧は、蓄電素子41に不具合が生じる可能性があり、蓄電素子41の使用を禁止することが望ましいセル電圧である。保護電圧は一例として4.0[V]である。
The
メイン制御部23は、各蓄電素子41間の電圧にばらつきがある場合には、均等化処理を実行する。均等化処理は、放電回路31によって電圧の高い蓄電素子41を放電する処理である。均等化処理により、各蓄電素子41間の電圧差を小さくして、蓄電素子41間の充電容量のばらつきを均等化する。均等化処理は、蓄電ブロック30ごとに、行うことが出来る。
The
リチウムイオンセルは、鉛蓄電池と異なり、高充電状態(高SOC)で、セル電圧が上昇し易い。コンバータ11が、各蓄電素子41のセル電圧を用いて、もっとも電圧の高い蓄電素子のセル電圧が一定になるように細かく充電を制御せず、蓄電装置20の総電圧で蓄電装置20を充電制御する場合、以下の課題がある。蓄電装置20の総電圧が充電電圧Yを維持していても、各蓄電素子41間では電圧差があり、一部の蓄電素子41のセル電圧が想定よりも上昇する場合がある。特に、各蓄電素子41間のセル電圧(充電状態)のばらつきが大きいと、充電率の高い蓄電素子41のセル電圧が充電末期の第1高変化領域S1の範囲で急激に上昇する場合がある。各蓄電素子41間のセル電圧ばらつきの解消するため、均等化処理を行っても、電圧の上昇に、放電が追い付かず、充電率の高い蓄電素子41のセル電圧が、保護電圧を超える場合がある。
Lithium-ion cells are different from lead-acid batteries in a high charge state (high SOC) and a cell voltage is likely to increase.
蓄電素子41のセル電圧が保護電圧を超えると、スイッチ22によって蓄電装置20が給電線15から切り離される。給電線15から切り離されると、コンバータ11から蓄電装置20への充電および蓄電装置20からインバータ12への放電がいずれも出来ない。
When the cell voltage of
本実施形態のBMU21のメイン制御部23は、各蓄電素子41のセル電圧が保護電圧に至ることを抑制しつつ、コンバータ11による定電圧充電制御を継続させる電圧管理処理を実行する。
The
電圧管理処理について、図4および図5を参照して、説明する。
図4は、電圧管理処理の流れを示すフローチャート図である。電圧管理処理は、蓄電装置20の充電中、常時もしくは定期的に実行される。The voltage management process will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a flowchart illustrating the flow of the voltage management process. The voltage management process is executed constantly or periodically during charging of the
電圧管理処理では、まず、蓄電装置20の各蓄電ブロック30におけるCMU32のサブ制御部34が、電圧検出回路33の出力より各蓄電素子41のセル電圧を検出する。セル電圧の検出後、サブ制御部34は、検出結果をBMU21のメイン制御部23に出力する(S11)。
In the voltage management process, first,
BMU21のメイン制御部23は、入力された各蓄電素子41のセル電圧と、メイン制御部23に予め記憶された第1閾値とを比較する(S12)。比較の結果、蓄電装置20の全ての蓄電素子41のセル電圧が第1閾値未満の場合(S12:NO)、電圧管理処理を終了する。第1閾値は、蓄電素子41の性能が劣化する可能性のある充電電圧上限値である。充電電圧上限値とは、充電状態における蓄電素子41の電圧上限値である。
The
第1閾値は、第1高変化領域S1に含まれる電圧であり、一例として、3.7[V]である。
充電目標セル電圧、第1閾値、保護電圧の大小関係は以下の通りである。
充電目標セル電圧<第1閾値<保護電圧・・・・(3)The first threshold is a voltage included in the first high change region S1, and is, for example, 3.7 [V].
The magnitude relationship between the charging target cell voltage, the first threshold, and the protection voltage is as follows.
Charge target cell voltage <first threshold value <protection voltage ... (3)
比較の結果、蓄電装置20のいずれかの蓄電素子41のセル電圧が第1閾値以上の場合(S12:YES)、メイン制御部23は、セル電圧が第1閾値以上の蓄電素子41を放電するようにサブ制御部34に信号を出力する。信号が入力されたサブ制御部34は、セル電圧が第1閾値以上の蓄電素子41を放電回路31によって放電させる(S13)。
As a result of the comparison, when the cell voltage of any of the
メイン制御部23は、S13と同時に、コンバータ11に対して、充電電圧Yを初期値Yoから引き下げるための第1引下信号を出力する(S14)。第1引下信号が入力されたコンバータ11は、充電電圧Yを初期値Yoから所定値だけ引き下げ(S15)、定電圧充電制御を継続する。メイン制御部23がコンバータ11に出力する第1引下信号が引下通知に相当する。
At the same time as S13, the
充電電圧Yを下げることで、第1閾値以上になった蓄電素子41のセル電圧を第1閾値未満に低下させることができる。これにより、蓄電素子41が保護電圧を超えることを抑制しつつ、充電を継続させることができる。
By lowering the charging voltage Y, the cell voltage of the
図5は、定電流定電圧充電における蓄電素子41のセル電圧の波形、組電池40の電池電圧の波形および充電電流の波形をである。
FIG. 5 shows the waveform of the cell voltage of the
コンバータ11は、充電開始後、蓄電装置20を定電流充電制御する。蓄電装置20の総電圧が所定の電圧値に至ると(図5のV1を参照)、コンバータ11は、定電流充電制御から定電圧充電制御に切り換える。定電圧充電制御への切り換え後、コンバータ11は、充電電圧Yoで蓄電装置20を充電する。定電圧充電制御に切り換わると、蓄電装置20の充電電流は、徐々に低下する。
After starting charging,
定電圧充電制御への切り換え後、蓄電装置20の平均セル電圧(破線Va)は充電目標セル電圧付近で維持される。各蓄電素子41間のセル電圧(充電状態)のばらつきが大きいと、蓄電素子41の最高セル電圧(実線Vh)は、上昇して第1閾値に至る。平均セル電圧Vaは、蓄電装置20を構成する全ての蓄電素子41の平均セル電圧である。最高セル電圧Vhは、蓄電装置20を構成する全ての蓄電素子41のうち、もっとも電圧が高い蓄電素子のセル電圧である。
After switching to the constant voltage charging control, the average cell voltage (dashed line Va) of
蓄電素子41の最高セル電圧Vhが第1閾値に至ると、放電回路31は第1閾値以上になった蓄電素子41を放電する。これと同時に、メイン制御部23からコンバータ11に第1引下信号が出力される。コンバータ11は、充電電圧Yを初期値Yoから引き下げる(図5のV2)。
When the highest cell voltage Vh of the
充電電圧Yの引き下げと放電により、蓄電素子41の最高セル電圧Vhが、第1閾値以上になることを抑制できる。そのため、蓄電素子41が保護電圧を超えることを抑制しつつ、充電を継続できる。
By lowering and discharging the charging voltage Y, the maximum cell voltage Vh of the
実施形態1のUPS10と、他の充電制御方法のUPS400の回路の違いを説明する。
図22は、他の充電制御方法のUPS400の回路図である。UPS400は、コンバータ11と、インバータ12と、蓄電装置420と、充電制御回路450を備えている。蓄電装置420は、直列に接続された複数の蓄電ブロック430と、BMU421とを備えている。蓄電装置420は、交流電源80から負荷70への給電線15に対して分岐線16を介して接続されている。充電制御回路450は、分岐線16に設けられている。The difference between the
FIG. 22 is a circuit diagram of a UPS 400 according to another charge control method. The UPS 400 includes a
充電制御回路450は、第1経路L1、第2経路L2と、第1ダイオードD1と、スイッチSWと、第2ダイオードD2とを備えている。第1経路L1と第2経路L2は並列に接続されている。第1ダイオードD1は充電方向が順方向である。第1ダイオードD1とスイッチSWは直列に接続されており、第1経路L1に設けられている。第2ダイオードD2は、放電方向が順方向である。第2ダイオードD2は、第2経路L2に設けられている。
The
第1経路L1は、蓄電装置420の充電用の経路である。第2経路L2は、蓄電装置420の放電用の経路である。スイッチSWは、蓄電ブロック430への充電を制御するスイッチである。BMU421の制御部423は、CMU432の出力に基づいて、各蓄電素子41のセル電圧を監視しつつ、スイッチSWのクローズ、オープンを切り換えることで、通常使用可能領域内(図5参照)で、蓄電装置420を充電する。
The first path L1 is a path for charging the
実施形態1のUPS10は、先に説明したように、いずれかの蓄電素子41のセル電圧が第1閾値以上になった場合に、蓄電装置20からコンバータ11に第1引下信号を出力して、充電電圧Yを引き下げる。そのため、充電制御回路450を用いて充電を制御しなくても、通常使用可能領域内(図5参照)で、蓄電装置20を充電できる。実施形態1のUPS10は、図1に示すように、充電経路である分岐線16に、蓄電装置20の充電を制御する充電制御回路450を有していない。実施形態1のUPS10は、UPS400と比較して、充電制御回路450を廃止でき、部品点数を削減できるというメリットがある。
As described above, the
充電速度について説明する。
蓄電素子41が保護電圧を超えることを抑制しつつ、充電を継続させる手段としては、コンバータ11による蓄電装置20の充電電圧Yを、当初から充電電圧引き下げ後の充電電圧に設定する方法がある。The charging speed will be described.
As a means for continuing the charging while suppressing the
本発明者らは、充電電圧Yを変えて特性を検討したところ、蓄電素子41の充電速度(SOCの増加率)は、充電電圧が高いほど、早い(大きい)ことを知見した。
The present inventors have studied the characteristics by changing the charging voltage Y, and have found that the higher the charging voltage, the faster (larger) the charging speed (increase rate of the SOC) of the
図6および図7は、充電電圧Yが異なる場合について、定電流定電圧充電中における蓄電素子41のセル電圧の波形、SOCおよび充電電流の波形である。
FIGS. 6 and 7 show waveforms of the cell voltage, the SOC, and the charging current of the
図6の(A)は、蓄電素子41の平均セル電圧が3.5[V]となるように充電電圧Yを3.5×N[V]として蓄電装置20を定電圧制御した時のデータである。図6の(B)は、蓄電素子41の平均セル電圧が3.4[V]となるように充電電圧Yを3.4×N[V]として蓄電装置20を定電圧充電制御した時のデータである。
FIG. 6A shows data when the charging voltage Y is set to 3.5 × N [V] and the
SOCの増加率を参照すると、平均セル電圧を3.4[V]に設定した場合(図6の(B))は、平均セル電圧を3.5[V]にした場合(図6の(A))と比較して、セル電圧が上限に当たり易い。平均セル電圧を3.5[V]にした場合について、SOCが80%になる時間をTとする。平均セル電圧を3.4[V]にした場合、SOCが80%になる時間は、T+Tαであり、平均セル電圧を3.5[V]にした場合よりも、長時間である。 Referring to the increase rate of the SOC, when the average cell voltage is set to 3.4 [V] ((B) in FIG. 6), the average cell voltage is set to 3.5 [V] ((in FIG. 6). Compared with A)), the cell voltage is more likely to hit the upper limit. When the average cell voltage is 3.5 [V], the time when the SOC becomes 80% is defined as T. When the average cell voltage is 3.4 [V], the time when the SOC becomes 80% is T + Tα, which is longer than when the average cell voltage is 3.5 [V].
図7は、低変化領域F(蓄電素子41の平均セル電圧が3.34[V])における定電圧充電制御の状態を示す。図7は、蓄電素子41の平均セル電圧が3.34[V]となるように定電圧充電制御した場合の、蓄電素子41のセル電圧の波形、SOCおよび充電電流の波形である。3.34[V]は低変化領域Fに含まれる電圧である。蓄電素子41の平均セル電圧を3.34[V]にした場合、OCVの変化量に対するSOCの変化量が非常に大きい。このため、SOCを高い状態に維持することができなくなる。さらに、平均セル電圧が3.34[V]になるように蓄電装置20を定電圧充電制御した場合、T時間(図6の(A)においてSOCが80%になる時間)経過後であっても、SOCがおおよそ68%であり、蓄電素子41のSOCを高く維持することができない。
FIG. 7 shows a state of the constant voltage charging control in the low change region F (the average cell voltage of the
以上の結果から、蓄電素子41におけるSOCの増加率は、充電電圧Yが高いほど大きく、充電電圧Yが高いほど、蓄電装置20の充電時間を短縮することができることが分かる。また、SOCを高く維持するためには、コンバータ11の充電電圧Yは、蓄電素子1つ当たりのセル電圧(充電目標セル電圧Vsel)に換算して、第1高変化領域S1に含まれることが好ましい。コンバータ11の充電電圧Yの初期値Yoは、700Vであり、セル電圧に換算すると3.5Vである。第1高変化領域S1は3.35V以上であるから、コンバータ11の充電電圧Yの初期値Yoは、セル電圧に換算して、第1高変化領域S1に含まれる。
From the above results, it can be seen that the increase rate of the SOC in
図8に示すように、蓄電素子41のセル電圧がSOC増加率の高い電圧(約3.5V)に至った後に、定電圧充電制御に切り換えることで(図8のVb)、蓄電装置20の充電時間が増加することを回避しつつ、SOCを高い状態にすることができる。
As shown in FIG. 8, after the cell voltage of
UPS10は、SOC増加率の高い充電電圧Yによって蓄電装置20の定電圧充電制御を行い、蓄電装置20のいずれかの蓄電素子41におけるセル電圧が、第1高変化領域S1に含まれる第1閾値以上になった場合に、充電電圧Yを引き下げて充電を継続する。これにより、各蓄電素子41が保護電圧を超えることを抑制しつつ、充電を継続させることができる。さらには、蓄電装置20の充電時間が増加することを回避することができる。
The
鉛蓄電池を充電する従来型のコンバータは、蓄電装置20の総電圧で、蓄電装置20を充電制御する場合が多い。蓄電装置20は、こうした鉛蓄電池を充電する従来型のコンバータを、充電器として使用することもできる。そのため、UPS10全体を交換せずに、蓄電ブロックだけ、鉛蓄電池からリチウムイオンセルに交換することもできる。交換後、鉛蓄電池を充電する従来のコンバータはそのまま継続使用することもできる。
A conventional converter that charges a lead storage battery often controls charging of the
第1閾値は、コンバータ11における充電電圧Yの引き下げ後の充電電圧が、第1高変化領域S1に含まれるように第1高変化領域S1において高充電側に設定されている。したがって、充電電圧Yの引き下げ後においても、SOCの増加率が低下することを抑制することができる。
The first threshold value is set on the high charge side in the first high change region S1 so that the charge voltage after the reduction of the charge voltage Y in the
蓄電装置20に用いた組電池40(リン酸鉄系のリチウムイオン電池)では、第1高変化領域S1における蓄電素子41のセル電圧が、マンガン系やコバルト系と比較して、より大きく変化する。このため、蓄電素子41のセル電圧が第1閾値や保護電圧に至りやすい傾向にある。メイン制御部23は、いずれかの蓄電素子41のセル電圧が第1閾値以上になった場合に、コンバータ11に引下信号を送り、充電電圧Yを引き下げる。これにより、蓄電素子41のセル電圧が第1閾値や保護電圧に至ることを抑制できる。
In the battery pack 40 (iron phosphate lithium-ion battery) used in the
UPS10は、交流電源80が停止した場合、蓄電装置20からインバータ12を経由して負荷70に電力を供給する。負荷70への電力供給後、各蓄電ブロック30の組電池40は、電池電圧が低下する。
When the
電池電圧が低下すると、コンバータ11は、蓄電装置20への充電を開始し、複数の蓄電ブロック30を定電流充電制御する。蓄電装置20の総電圧が所定値に至ると、蓄電装置20の総電圧を維持するように定電圧充電制御する。
When the battery voltage decreases,
前回充電時に、コンバータ11の充電電圧Yが初期値Yoから引き下げられていると、定電圧充電制御中に、SOCの増加率が低くなり、充電時間が増加する場合がある。
If the charging voltage Y of the
UPS10は、充電時間の増加を抑制するため、以下の充電電圧復帰処理を実行する。
The
充電電圧復帰処理について、図9および図10を参照して、説明する。
図9は、充電電圧復帰処理の流れを示すフローチャートである。充電電圧復帰処理は、コンバータ11の充電電圧Yの引き下げ後に、常時もしくは定期的に実行される。The charging voltage return process will be described with reference to FIGS.
FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the charging voltage return process. The charging voltage return process is always or periodically executed after the charging voltage Y of the
充電電圧復帰処理では、まず、蓄電装置20の各蓄電ブロック30におけるCMU32のサブ制御部34が、電圧検出回路33の出力より各蓄電素子41のセル電圧を検出する。セル電圧の検出後、サブ制御部34は、検出結果をBMU21のメイン制御部23に出力する(S21)。
In the charging voltage return process, first, the
メイン制御部23は、入力された各蓄電素子41のセル電圧と、メイン制御部23に予め記憶された第2閾値とを比較する(S22)。比較の結果、いずれかの蓄電素子41のセル電圧が第2閾値よりも高い場合(S22:NO)、充電電圧復帰処理を終了する。
The
第2閾値は、蓄電装置20において最もセル電圧の高い蓄電素子41のセル電圧が、コンバータ11の充電電圧Yを初期値Yoに戻した場合でも、容易に第1閾値以上にならない充電電圧下限値である。充電電圧下限値は、充電状態における蓄電素子41の電圧下限値である。
The second threshold value is a charging voltage lower limit value at which the cell voltage of the
第2閾値は、一例として、3.45[V]である。
第2閾値、充電目標セル電圧、第1閾値、保護電圧の大小関係は以下の通りである。
第2閾値≦充電目標セル電圧<第1閾値<保護電圧・・・・(4)The second threshold is, for example, 3.45 [V].
The magnitude relationship among the second threshold, the charging target cell voltage, the first threshold, and the protection voltage is as follows.
2nd threshold ≦ charge target cell voltage <first threshold <protection voltage... (4)
比較の結果、すべての蓄電素子41のセル電圧が、第2閾値以下の場合(S22:YES)、メイン制御部23は、コンバータ11に対して充電電圧Yを初期値Yoに戻すための復帰信号を出力し(S23)する。コンバータ11は、復帰信号を受けると、充電電圧Yを初期値Yoに戻す(S24)。メイン制御部23がコンバータ11に出力する復帰信号が復帰通知に相当する。
As a result of the comparison, when the cell voltages of all the
図10は、充電電圧復帰処理(S23、S24)を実行した場合の蓄電素子41のセル電圧の波形および充電電流の波形である。図10では、蓄電素子41の最高セル電圧Vhが第2閾値以下となる図10のV3で、コンバータ11の充電電圧Yは、引き下げ後の充電電圧から、初期値Yo(通電充電電圧)に戻る。この結果、コンバータ11は、通常の状態に復帰する。これにより、充電時間を増加させずに蓄電装置20を充電することができる。
FIG. 10 shows a waveform of the cell voltage of the
図11は、充電中の蓄電素子41のセル電圧の波形および充電電流の波形である。均等化処理において各蓄電素子41間の電圧差が解消された場合、充電電圧Yの引き下げ後、各蓄電ブロック30における蓄電素子41間の電圧差が所定値以下になる場合がある。そこで、メイン制御部23は、充電電圧復帰処理のS22において、蓄電素子41間の電圧差を検出する。
FIG. 11 shows a waveform of a cell voltage and a waveform of a charging current of
蓄電素子41間の電圧差は、例えば、最高セル電圧Vhと、最低セル電圧Vminの電圧差である。最高セル電圧Vhは、蓄電ブロック30のうち、セル電圧が最も高い蓄電素子41のセル電圧である。最低セル電圧Vminは、蓄電ブロック30のうち、セル電圧が最も低い蓄電素子41のセル電圧である。
The voltage difference between the
メイン制御部23は、各蓄電ブロック30について、検出した電圧差がメイン制御部23に記憶された基準電位差(図11のVs)以下の場合、コンバータ11に復帰信号を出力してもよい。これにより、コンバータ11の充電電圧Yを初期値Yoに引き戻すことができる。
The
<実施例>
実施例について図12および図13を参照して説明する。
本実施例は、実施形態1のUPS10における複数の蓄電ブロック30のうちの一の蓄電ブロック30における蓄電素子41の平均セル電圧Vaと、最高セル電圧と、コンバータ11の充電電圧Yの推移を示したグラフである。図12および図13において、左縦軸は蓄電素子41のセル電圧[V]、右縦軸はコンバータ11の充電電圧[V]または充電電流[A]を表したものであり、横軸は時間[H]を表している。<Example>
An embodiment will be described with reference to FIGS.
The present example illustrates changes in the average cell voltage Va, the highest cell voltage, and the charging voltage Y of the
満充電状態において、蓄電素子41の電圧は、例えば3.5[V]から3.7[V]程度である。満充電状態において、蓄電素子41の平均セル電圧は、3.5[V]である。
In the fully charged state, the voltage of
図12および図13では、まず、定電流充電制御によって30分程度の充電が行われ、蓄電装置20の総電圧が70[V]に至ったところで、定電圧充電制御に切り換えられる。
図12の例では、定電圧充電時の充電電圧Yは70[V]である。70[V]での充電中、蓄電素子41の平均セル電圧(一点鎖線Va)は、3.5[V]付近で維持されている。12 and 13, first, charging is performed for about 30 minutes by constant current charging control, and when the total voltage of
In the example of FIG. 12, the charging voltage Y during constant voltage charging is 70 [V]. During charging at 70 [V], the average cell voltage (dot-dash line Va) of the
各蓄電素子41間のセル電圧(充電状態)のばらつきが大きいため、蓄電素子41の最高セル電圧(破線Vh)は上昇して第1閾値に至る。
Since the variation in the cell voltage (charge state) between the
蓄電素子41の最高セル電圧(破線Vh)が第1閾値に至ると、メイン制御部23は、サブ制御部34を通じてセル電圧が第1閾値以上の蓄電素子(最高セル電圧Vhの蓄電素子)41を放電回路31によって放電させる。これと同時に、メイン制御部23からコンバータ11に第1引下信号が出力される。第1引下信号の出力により、コンバータ11は、充電電圧Yを初期値Yoの70[V]から68[V]に引き下げる(図12および図13のVc)。
When the highest cell voltage (broken line Vh) of the
充電電圧を下げることで、平均セル電圧Vaが約3.4[V]に低下し、最高セル電圧Vhが3.45[V]付近まで低下する。これにより、蓄電素子41の最高セル電圧Vhが第1閾値以上になることが抑制される。
By lowering the charging voltage, the average cell voltage Va drops to about 3.4 [V], and the maximum cell voltage Vh drops to around 3.45 [V]. This suppresses the maximum cell voltage Vh of the
蓄電素子41の最高セル電圧Vhは、その後、均等化処理によって、徐々に電圧が低下する。
Thereafter, the maximum cell voltage Vh of the
図12および図13を参照して説明したように、実施形態1のUPS10は、いずれかの蓄電素子41におけるセル電圧が、第1高変化領域S1に含まれる第1閾値以上になった場合に、充電電圧Yを引き下げて、蓄電装置20を定電圧充電制御を継続する。これにより、各蓄電素子41に不具合が生じることを抑制しつつ、充電を継続させることができる。また、第1閾値および充電電圧引き下げ後の充電電圧は、第1高変化領域S1に含まれるから、蓄電装置20の総電圧が大きく低下することを抑制しつつ、蓄電装置20の充電時間が増加することを回避できる。
As described with reference to FIG. 12 and FIG. 13, the
(実施形態2)
次に、実施形態2について図14および図15を参照して説明する。
実施形態2の電圧管理処理は、実施形態1の電圧管理処理におけるS16の処理後を変更したものである。実施形態2において、実施形態1と共通する構成、作用、および効果については重複するため、その説明を省略する。また、実施形態1と同じ構成については同一の符号を用いるものとする。(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
The voltage management process of the second embodiment is a modification of the voltage management process of the first embodiment after S16. In the second embodiment, the configuration, operation, and effect common to the first embodiment are duplicated, and the description thereof will be omitted. Further, the same reference numerals are used for the same configuration as the first embodiment.
実施形態2の電圧管理処理は、図14のフローチャートに示すように、S16においてコンバータ11による充電電圧Yの引き下げを行った後、メイン制御部23がCMU32のサブ制御部34を通じて各蓄電素子41のセル電圧を検出する(S17)。そして、第1閾値と各蓄電素子41のセル電圧とを比較する(S18)。
In the voltage management process according to the second embodiment, as shown in the flowchart of FIG. 14, after the charging voltage Y is reduced by the
比較の結果、全ての蓄電素子41におけるセル電圧が第1閾値未満の場合(S18:NO)、電圧管理処理を終了する。これに対し、いずれかの蓄電素子41のセル電圧が再び第1閾値以上となった場合(S18:YES)、メイン制御部23は、サブ制御部34を通じて、セル電圧が第1閾値以上の蓄電素子41を放電させる(S19)。これと同時に、メイン制御部23は、コンバータ11に対して充電電圧Yをさらに引き下げるための第2引下信号を出力する(S20)。コンバータ11は、第2引下信号を受信して、充電電圧Yをさらに引き下げる(S21)。メイン制御部23が、コンバータ11に出力する第2引下信号が段階引下通知に相当する。
As a result of the comparison, when the cell voltages in all the
本実施形態2の電圧管理処理では、図15に示すように、メイン制御部23がコンバータ11の充電電圧Yを下げることで(図15のVc1)、蓄電素子41の最高セル電圧が、一時的には第1閾値以上になることを抑制できる。
その後、いずれかの蓄電素子41のセル電圧が再び第1閾値以上になった場合には、メイン制御部23がコンバータ11に第2引下信号を送り、充電電圧Yを2回に亘って段階的に引き下げる(図15のVc2)。充電電圧Yを段階的に下げることで、各蓄電素子41の電圧が第1閾値や保護電圧に至ることを、さらに抑制できる。In the voltage management process of the second embodiment, as shown in FIG. 15, the
Thereafter, when the cell voltage of any of the
(実施形態3)
図16は、実施形態3のUPS100の回路図である。UPS100は、コンバータ11と、インバータ12と、給電路15と、蓄電装置120とを備える。蓄電装置120は、分岐線16を介して給電線15に接続されている。UPS100は、UPS10と同様に、常時インバータ給電方式のUPSである。UPS100は蓄電システムの一例である。(Embodiment 3)
FIG. 16 is a circuit diagram of the
蓄電装置120は、図16に示すように、複数の蓄電ブロック30と、複数の蓄電ブロック30を管理する電池管理装置(以下、「BMU」という)121と、スイッチ22と、を備える。BMU121は、メイン制御部123と警告ランプ124を有している。メイン制御部123は制御部の一例である。各蓄電ブロック30は、直列に接続された複数の蓄電素子41と、蓄電素子41ごとに放電回路31を備える。蓄電装置120は、実施形態1の蓄電装置20に対して、異常検出機能を追加している。電池管理装置121は管理装置の一例である。
As illustrated in FIG. 16, the
図17、18は、コンバータ11の充電電圧Yの波形、蓄電装置20のうちセル電圧が最も高い蓄電素子41の最高セル電圧Vhの波形である。図17に示すように、定電圧充電開始後、コンバータ11は、初期値Yoで、蓄電装置20を充電する。時刻t1で、蓄電素子41の最高セル電圧Vhが第1閾値X1に到達すると、メイン制御部23はコンバータ11に1回目の引下通知を送る。コンバータ11は、1回目の引下通知を受けると、充電電圧Yを初期値Yoから引き下げる(S12)。また、最高セル電圧Vhが第1閾値X1に達する時刻t1で、メイン制御部123は、最高セル電圧Vhの蓄電素子41を、放電回路31により放電する(S13)。充電電圧Yの引き下げと放電により、時刻t1以降、蓄電素子41の最高セル電圧Vhは、低下する。
17 and 18 show the waveform of charging voltage Y of
メイン制御部123は、最高セル電圧Vhが第2閾値X2に達する時刻t2で、コンバータ11に復帰信号を出力する(S23)。復帰信号の出力により、時刻t2で、充電電圧Yは初期値Yoに戻される。放電回路31が正常に作動している場合、時刻t1以降、最高セル電圧Vhの蓄電素子41は放電し、他の蓄電素子41との電圧差ΔVは、時間と共に小さくなる。そのため、図17に示すように、充電電圧Yを初期値Yoに戻した時刻t2以降、蓄電装置20の各蓄電素子41のセル電圧は、いずれも、第1閾値X1と第2閾値X2の間に収まる。
The
図18は、放電回路31が正常に動作していない場合の、コンバータ11の充電電圧Yの波形、蓄電素子41の最高セル電圧Vhの波形である。図18に示すように、時刻t1で充電電圧Yを初期値Yoから引き下げると、その後、蓄電素子41の最高セル電圧Vhは、一時的に下がる。放電回路31が正常に動作していない場合、蓄電素子41のセル電圧のばらつきは、解消されない。そのため、時刻t2で充電電圧Yを初期値Yoに戻すと、セル電圧が最も高い蓄電素子41の最高セル電圧Vhは、上昇し続け、第1閾値X1に達する場合がある(時刻t3)。時刻t3で最高セル電圧Vhは第1閾値X1に達すると、メイン制御部23はコンバータ11に2回目の引下通知を送る。コンバータ11は、2回目の引下通知を受けると、充電電圧Yを初期値Yoから再び引き下げる。以上のことから、放電回路31が正常に動作していない場合、コンバータ11は、図18に示すように、充電電圧Yの上げ下げ(充電電圧の調整)を繰り返す。
FIG. 18 shows a waveform of the charging voltage Y of the
メイン制御部123は、コンバータ11に対する第1引下信号と復帰信号の出力状況(頻度など)から、充電器であるコンバータ11が充電電圧Yの調整を、繰り返しているか判断する。メイン制御部123は、コンバータ11が充電電圧Yの調整を、所定回数又は所定時間以上繰り返す場合、警告ランプ124を表示するなど、異常を報知する処理を実行する。異常の報知により、ユーザに異常を知らせることが出来る。
The
引き下げた充電電圧Yを初期値Yoに戻す条件は、蓄電素子41の最高セル電圧Vhを第2閾値X2と比較する方法以外に、各蓄電ブロック30で、蓄電素子41間の電圧差ΔVを所定値と比較する方法がある。電圧差ΔVは、一例として、蓄電ブロック30における、蓄電素子41の最高セル電圧Vhと、蓄電素子41の最低セル電圧Vminの電圧差である。放電回路31が正常に動作していない場合、図19に示すように、時刻t1にて、コンバータ11が充電電圧Yを初期値Yoから引き下げても、最高セル電圧Vhと最低セル電圧Vmin間の電圧差ΔVは解消されない。そのため、最高セル電圧Vhと最低セル電圧Vmin間の電圧差ΔVが所定値よりも高い状態が続き、充電電圧Yを引き下げた状態が継続する。
The conditions for returning the lowered charging voltage Y to the initial value Yo include a method of comparing the highest cell voltage Vh of the
メイン制御部123は、充電電圧Yを引き下げた状態が、所定時間以上継続する場合、異常を報知する処理を実行する。図19の例では、時刻t1にて、メイン制御部123からコンバータ11に第1引下信号が送信され、コンバータ11は、充電電圧Yを引き下げている。メイン制御部123は、充電中において、時刻t1からコンバータ11が充電電圧Yを引き下げた状態が継続している時間Tyを計測する。メイン制御部123は、充電電圧Yを引き下げた状態が継続している時間Tyが所定時間以上の場合、警告ランプ124を表示するなど、異常を報知する処理を実行する。異常の報知により、ユーザに異常を知らせることが出来る。
When the state in which the charging voltage Y has been lowered continues for a predetermined time or more, the
(実施形態4)
図20は、UPS200の回路図である。実施形態4のUPS200は、交流スイッチ210と、双方向コンバータ230と、蓄電装置220と、を備える。双方向コンバータ230は、「電力変換器」の一例である。双方向コンバータ230は、「充電器」の一例である。UPS200は蓄電システムの一例である。(Embodiment 4)
FIG. 20 is a circuit diagram of the UPS 200. The UPS 200 according to the fourth embodiment includes an AC switch 210, a bidirectional converter 230, and a power storage device 220. Bidirectional converter 230 is an example of a “power converter”. Bidirectional converter 230 is an example of a “charger”. The UPS 200 is an example of a power storage system.
交流スイッチ210は、交流電源80と負荷70とを接続する給電線15に設けられている。交流スイッチ210は無くてもよい。交流電源80は主電源の一例である。
The AC switch 210 is provided on the
蓄電装置220は、分岐線16を介して給電線15に接続されている。蓄電装置220は、複数の蓄電ブロック30と、複数の蓄電ブロック30を管理する電池管理装置(以下、「BMU」という)221と、スイッチ22と、を備える。電池管理装置221は、メイン制御部223を備える。電池管理装置221は管理装置の一例、メイン制御部223は制御部の一例である。
Power storage device 220 is connected to
双方向コンバータ230は、分岐線16に設けられている。双方向コンバータ230は、交流電源80又は負荷70に対して並列である。
The bidirectional converter 230 is provided on the
UPS200は、パラレルプロセッシング式のUPSである。パラレルプロセッシング式のUPSは、交流電源80の出力を、電力変換せず、負荷70に供給する。
The UPS 200 is a parallel processing type UPS. The parallel processing type UPS supplies the output of the
双方向コンバータ230は、交流電源80の出力時、交流電源80が供給する電力の一部を交流から直流に変換して蓄電装置220に充電電流を出力する。双方向コンバータ230は、実施形態1のコンバータ11と同様に、各蓄電素子41の電圧を用いて、最高セル電圧の蓄電素子の電圧が一定になるように細かく充電を制御せず、蓄電装置220の総電圧で蓄電装置20を充電制御する。
When
双方向コンバータ230は、交流電源80の出力が停止した場合、蓄電装置20から供給される電力を直流から交流に変換して負荷70に出力する。
When the output of
BMU221のメイン制御部223は、充電中、CMU32の出力に基づいて、蓄電ブロック30の各蓄電素子41のセル電圧を監視する。BMU221のメイン制御部223は、充電中に、蓄電装置220のいずれかの蓄電素子41のセル電圧が第1閾値を超えた場合、双方向コンバータ230に引下信号を出力し、充電電圧Yを初期値Yoから引き下げる。充電電圧の引き下げにより、双方向コンバータ230を停止しなくても、通常使用可能領域内(図5参照)で、蓄電装置220の各蓄電素子41を充電できる。
The main control unit 223 of the BMU 221 monitors the cell voltage of each
充電制御のため、双方向コンバータ230を停止すると、再起動に時間が必要となり、双方向コンバータ230に出力の遅れが生じる場合がある。双方向コンバータ230に出力の遅れがあると、交流電源80の出力停止に伴って、交流電源80から蓄電装置20への給電に切り換える時に、電力供給が断たれる瞬断が発生する場合がある。実施形態4のUPS200は、双方向コンバータ230を停止しなくても、蓄電装置20への充電を制御できるから、瞬断が起きることを抑制できる。
When the bidirectional converter 230 is stopped for charging control, it takes time to restart the bidirectional converter 230, and the output of the bidirectional converter 230 may be delayed. If the output of the bidirectional converter 230 is delayed, when the output of the
(他の実施形態)
本明細書で開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。(Other embodiments)
The technology disclosed in the present specification is not limited to the embodiments described above and illustrated in the drawings, and includes, for example, the following various aspects.
(1)上記実施形態1〜4では、蓄電システムは、UPS10、100、200である。蓄電システムは、無人搬送車や鉄道などの車両、大規模発電設備など他の用途に使用される蓄電システムでもよい。蓄電装置20、120、220は、UPS用の蓄電装置に限らず、無人搬送車や鉄道などの車両、大規模発電設備など他の用途に使用される蓄電システム用の蓄電装置でもよい。蓄電装置20、120、220は、複数の蓄電ブロックを直列に接続した。蓄電装置20、120、220は、1つの蓄電ブロックだけでもよい。
(1) In the first to fourth embodiments, the power storage system is the
(2)上記実施形態1〜4では、蓄電素子41はリン酸鉄系のリチウムイオンセルである。蓄電素子は、正極活物質にCo,Mn,Niの元素を含有したリチウム含有金属酸化物、負極にハードカーボンを用いた蓄電素子でもよい。また、蓄電素子はキャパシタでもよい。
(2) In
(3)上記実施形態1では、メイン制御部23は、蓄電装置20の、いずれかの蓄電素子41のセル電圧が第1閾値以上になった場合に、セル電圧が第1閾値以上の蓄電素子41を放電回路31によって放電させた。メイン制御部23は、蓄電装置20のいずれかの蓄電素子41のセル電圧が第3閾値以上になった場合に、セル電圧が第3閾値以上の蓄電素子41を放電回路31によって放電させてもよい。第3閾値は、第1閾値と同じ値でもいいし、第1閾値と異なる値でもよい。第3閾値は、第1閾値より小さい値でもいいし、大きい値でもよい。
メイン制御部23は、第3閾値を用いずに、蓄電素子41の電圧差に基づいて、蓄電素子41を放電してもよい。メイン制御部23は、各蓄電ブロック30について、蓄電素子41の最高セル電圧Vhと最低セル電圧Vminの電圧差が第4閾値以上である場合に、各蓄電ブロック30について、電圧差が第4閾値未満になるように、蓄電素子41を放電回路31によって放電してもよい。(3) In the first embodiment, when the cell voltage of any one of the
The
(4)上記実施形態1では、メイン制御部23は、蓄電素子41のセル電圧が第1閾値以上になった場合、セル電圧が第1閾値以上の蓄電素子41を放電回路31によって放電させた。蓄電素子41から負荷に放電するなど、放電回路31以外の他の手段で、蓄電素子41を放電してもよい。
(4) In the first embodiment, when the cell voltage of the
(5)上記実施形態2では、充電電圧Yを初期値Yoから引き下げた後、蓄電素子41のセル電圧が再び第1閾値以上になった場合、コンバータ11に第2引下信号を送り、充電電圧Yをさらに引き下げた。充電電圧Yを2段階で引き下げても、蓄電素子41のセル電圧が第1閾値以上になる場合、メイン制御部23は、コンバータ11に2回目の段階引下通知を送り、コンバータ11の充電電圧Yを3段階で引き下げてもよい。充電電圧Yを引き下げてもセル電圧が第1閾値以上になる場合、メイン制御部23は、セル電圧が第1閾値未満になるまで、コンバータ11に複数回に亘って段階引下通知を送り、充電電圧Yを多段階(3段階以上)で低下させてもよい。
(5) In the second embodiment, after the charging voltage Y is reduced from the initial value Yo, when the cell voltage of the
(6)上記実施形態1では、各蓄電ブロック30について、最高セル電圧Vhと最低セル電圧Vminの電圧差が基準電位差(図11のVs)以下の場合、コンバータ11に復帰信号を出力して、コンバータ11の充電電圧Yを初期値Yoに戻した。各蓄電ブロック30について、最高セル電圧Vhと平均セル電圧Vaの電圧差が基準電位差以下の場合、コンバータ11に復帰信号を出力して、コンバータ11の充電電圧Yを初期値Yoに戻してもよい。
(6) In the first embodiment, for each
(7)上記実施形態1〜3では、コンバータ11で蓄電装置20、120の充電制御を行った。充電制御は、コンバータ以外の装置で行ってもよい。コンバータと蓄電装置との間に、充電電圧を切り換える充電制御装置(充電器)を設けてもよい。蓄電装置の電池管理装置から充電制御装置に第1引下信号を出力して、充電制御装置で充電電圧を引き下げもよい。また、蓄電装置20は、総電圧で充電制御していれば、フロート充電でなくてもよい。
(7) In the first to third embodiments, the charging control of the
(8)図21はUPS300の回路図である。UPS300は、実施形態1のUPS10に対して、双方向のDC−DCコンバータ310を追加している。UPS300は蓄電システムの一例である。DC−DCコンバータ310は、分岐線16に配置されている。交流電源80が出力中の場合、DC−DCコンバータ310は、給電線15の給電電圧を電圧変換して蓄電装置20を充電する。また、DC−DCコンバータ310は、交流電源80が出力を停止した場合、蓄電装置20の出力電圧を給電線15の給電電圧に戻して出力する。
(8) FIG. 21 is a circuit diagram of the
BMU21のメイン制御部23は、充電中、CMU32の出力に基づいて、蓄電ブロック30の各蓄電素子41のセル電圧を監視する。BMU21のメイン制御部23は、充電中に、いずれかの蓄電素子41のセル電圧が第1閾値を超えた場合、DC−DCコンバータ310に第1引下信号を出力して、充電電圧Yを引き下げる。充電電圧Yの引き下げにより、DC−DCコンバータ310を停止しなくても、通常使用可能領域内で、蓄電装置20の蓄電素子41を充電できる。DC−DCコンバータ310は「電力変換器」の一例である。
The
(9)充電方法は、直列に接続された複数の蓄電素子の充電中に、いずれかの蓄電素子の電圧が第1閾値以上になった場合、前記蓄電素子の管理装置から充電器に引下通知を行うステップと、充電器にて充電電圧を下げるステップを有する。 (9) In the charging method, when the voltage of any one of the storage elements becomes equal to or higher than the first threshold value during charging of the plurality of storage elements connected in series, the power storage element management device is pulled down to the charger. It includes a step of notifying and a step of lowering the charging voltage by the charger.
10、100、200、300:無停電電源装置(「蓄電システム」の一例)
11:コンバータ(「充電器」の一例)
12:インバータ
21、121、221:BMU(「管理装置」の一例)
23、123、223:メイン制御部(「制御部」の一例)
20、120、220:蓄電装置
30:蓄電ブロック
31:放電回路
34:サブ制御部
41:蓄電素子
230:双方向コンバータ(「電力変換器」の一例)
310:DC−DCコンバータ(「電力変換器」の一例)
F:低変化領域
S1:第1高変化領域(「高充電状態の高変化領域」の一例)
S2:第2高変化領域10, 100, 200, 300: uninterruptible power supply (an example of "power storage system")
11: Converter (example of "charger")
12:
23, 123, 223: Main control unit (an example of “control unit”)
20, 120, 220: power storage device 30: power storage block 31: discharge circuit 34: sub-control unit 41: power storage element 230: bidirectional converter (an example of a “power converter”)
310: DC-DC converter (an example of “power converter”)
F: Low change area S1: First high change area (an example of “high change area in high charge state”)
S2: second high change area
Claims (16)
充電状態に対する開放電圧の変化率が相対的に低い低変化領域と、
前記低変化領域の充電状態よりも高充電状態であって、前記低変化領域よりも充電状態に対する開放電圧の変化率が相対的に高い、高充電状態の高変化領域と、を有しており、
前記第1閾値は、前記高充電状態の前記高変化領域に含まれる、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の管理装置。The electricity storage element,
A low change region where the rate of change of the open circuit voltage relative to the state of charge is relatively low,
And a high change state of the high charge state, which is a higher charge state than the charge state of the low change area, and a rate of change of the open circuit voltage relative to the charge state is relatively higher than the low change area. ,
The management device according to claim 1, wherein the first threshold is included in the high change region in the high charge state.
前記制御部は、電圧が第3閾値以上になった前記蓄電素子のみを前記放電回路によって放電させる請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の管理装置。It has a discharge circuit for discharging the storage element individually,
The management device according to any one of claims 1 to 9, wherein the control unit causes the discharge circuit to discharge only the storage element whose voltage has become equal to or higher than a third threshold.
請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の管理装置と、を備え
前記蓄電ブロックは、直列に接続された複数の前記蓄電素子を有する、蓄電装置。One or a plurality of power storage blocks connected in series;
A power storage device, comprising: the management device according to any one of claims 1 to 10; wherein the power storage block includes a plurality of the power storage elements connected in series.
請求項11に記載の蓄電装置と、
前記充電器と前記蓄電装置とを接続する充電経路を備えた蓄電システム。A charger,
A power storage device according to claim 11,
A power storage system including a charging path connecting the charger and the power storage device.
引き下げ後の充電電圧は、前記蓄電素子1つあたりの電圧に換算して前記高充電状態の前記高変化領域に含まれる、請求項12又は請求項13に記載の蓄電システム。The charger, in response to the withdrawal notification, reduces the charging voltage from an initial value,
14. The power storage system according to claim 12, wherein the reduced charging voltage is included in the high change region in the high charging state in terms of a voltage per power storage element.
前記分岐線に設けられた電力変換器と、を備え、
前記電力変換器は、
主電源から供給される電力の一部を変換して前記蓄電装置に対する充電電流の出力と、
前記蓄電装置から供給される電力を変換して前記負荷に対する放電電流の出力と、を行う双方向の電力変換器であり、
前記制御部は、前記蓄電装置のいずれかの前記蓄電素子の電圧が前記第1閾値以上になった場合に、前記電力変換器に前記充電電圧を下げる前記引下通知をする、請求項12〜請求項14のいずれか一項に記載の蓄電システム。The power storage device connected via a branch line to a power supply line that supplies power from a main power supply to a load,
A power converter provided on the branch line,
The power converter,
Output of a charging current to the power storage device by converting a part of the power supplied from the main power supply;
A bidirectional power converter that converts power supplied from the power storage device and outputs a discharge current to the load, and
The control unit, when a voltage of any of the power storage elements of the power storage device is equal to or higher than the first threshold, notifies the power converter of the reduction in the charging voltage. The power storage system according to claim 14.
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